碱性电解槽电极——原理、材料及结构

一、电极作用原理

碱性电解槽小室结构

首先，电催化剂在制氢电解槽中的作用是至关重要的，是电化学反应发生的场所，也是决定制氢电解槽的制氢效率的根本。

理论上水电解的电压为1.23 V，热中性电压1.48V，但是在实际的大型化设备中，单个电解小室的电压达到2 V左右。这是由于在设备运行过程中电极的极化作用和电解槽的欧姆电阻的存在导致的。如下式：

U=E0+I*R0+E过电位

其中U代表了单个电解小室的总电压，E0代表了理论分解电压（1.23 V），I*R0代表了电解槽的欧姆电压降，E过电位代表了电解过程中电极表面的电化学极化和浓差极化。

在高电流密度运行的状态下（工业用电解槽的运行电流在3000-4000A左右），阴极和阳极的电化学极化占了很大一部分。因此，电催化剂的性能是决定小室电压、制氢效率的关键。

在碱性电解液中，阴极和阳极发生的化学反应分别为：2H2O+2e-=H2+2OH-，4OH--4e-=O2+2H2O。HER和OER反应在纳米级别尺度的反应历程和一些电化学表征在这里不再讨论（虽然非常重要），有兴趣的朋友们可以去看看对应的文献。本文主要是从工程应用的角度去探讨目前大规模应用碱性电解水制氢的催化剂。

二、电极的材料及结构

目前碱性电解水的催化剂从科研来说种类繁多，贵金属基的催化剂（Pt,Pd,Au,Ag etc.），非贵金属基的催化剂（Fe,Co,Ni etc.），非金属基的催化剂（碳材料等）。

但是目前在大型电解槽中用的催化剂大多是Ni基的，纯镍网或者泡沫镍或者以此为基底喷涂的高活性Ni基催化剂（雷尼镍、活化处理的硫化镍、NiMo合金或者活化处理的NiAl等）。

一个电解小室中有两张催化剂，一个在阴极，一个在阳极，分布在隔膜的两侧与隔膜直接接触。形状一般与电解槽的形状一致（一般为圆形），其几何面积就等于电解槽的有效面积。

在催化剂方面有两个问题值得我们讨论:

（1）首先是为什么要用Ni基的催化剂，原因个人总结有又以下几点：

1. Ni基催化剂的制备工艺成熟

目前Ni网，Ni毡，Ni foam等产品比较成熟，Ni网的幅宽能够满足大型碱性电解水制氢装置的应用，而且Ni网的目数、厚度可以较好地控制。

2. Ni基催化剂的价格相对廉价

在碱性溶液的条件下，Ni基催化剂在一定的小室电压下能够展现出较高电流密度，且金属Ni价格较低，可以在保证一定性能的前提下有效降低电极的成本。

3. 极板与催化剂之间的接触腐蚀问题

这时候可能做科研的同学有疑问了，为什么现在那么多的新材料都不用呢，这就涉及到一个许多做催化材料的科研工作者可能没有考虑到的问题---催化剂与极板间的接触腐蚀（contact corrosion）。

接触腐蚀又称电偶腐蚀。两种不同的金属相互接触而同时处于电解质中所产生的电化学腐蚀。由于它们构成自发电池，故受腐蚀的是较活泼的及作为阳极的金属。

电偶腐蚀示意图

一般来说，催化剂用什么材料，就需要与催化剂接触的极板上电镀什么材料。

假设极板是碳钢的，而催化剂是Ni的，由于Fe比Ni要活泼（可查阅标准电极电势表或者从元素周期表定性分析），所以在电解液中容易发生Fe的腐蚀，也就是极板的腐蚀。

所以在实际操作中，要在极板表面镀一层镍来解决接触腐蚀的问题。

如果使用较昂贵的贵金属催化剂（Au,Pt等），催化性能固然会提高，但是为了避免接触腐蚀的问题，需要在与催化剂接触的极板上在电镀一层贵金属，其成本代价可想而知。

当然，如果电解槽应用在潜艇、航天等不计成本的领域那是另一回事了。因此，使用Ni基催化剂能够降低大型电解槽整体的制造成本。

（2）另一个问题是我们既然知道了电极目前选用Ni基的金属，那么电极的几何结构是什么样的

Ni网一般由40-60目的Ni丝网经过裁圆，Ni丝的直径大约在200um左右。Ni丝网的结构虽简单，但是其表面积要远远大于Ni板，在施加相同的小室电压的情况下能够有更多的位点去进行电化学反应，也就能产生更大的电流。

镍网图片

（3）如何进一步对电极材料进行优化以增大电解槽的电流密度

随着可再生能源制氢行业的不断发展，对于电解槽设备大型化的要求也越来越高，单纯的小室的叠加会造成电解槽的长度过长，不利于电解槽的装配与安装，同时也存在电解槽中部下沉等诸多问题。

因此，通过对于催化剂的优化来提高电流密度是一条切实可行的路径。根据法拉第定律，电极界面上发生化学变化物质的质量与通入的电量成正比，增大电流密度的关键在于增加给定小室电压下催化剂表面发生的电化学反应的速率，这取决于催化剂两个方面的特性，即催化位点的数量和催化位点的本证活性。

单纯凭借Ni网的结构优化可能很难更进一步地提高位点的数量和本征活性，因此我们可以在更加微观尺度上去进行优化，例如以Ni网为基底，再喷涂比表面积更大的雷尼镍催化剂。

雷尼镍催化剂的多孔结构是的其比表面积进一步增大（商业化雷尼镍的平均比表面积大约在100㎡/g），这样在给定的小室电压下就有更多的位点去参与水电解反应，电流密度就会进一步地提高。

雷尼镍图片

三、总结

目前，碱性电解水制氢的电解槽效率只能做到60%左右，其原因在于达到目标电流密度的情况下电解小室需要的电压太大导致效率降低。

为了降低小室电压，从催化剂方面来讲，需要进一步提高催化剂的催化性能来降低阴极与阳极的过电位，进而提高电解槽的整体效率。

中国氢能100人论坛2025第三届氢能嘉年华

2025 年是“十四五”规划收官之年，也是“十五五”规划谋划之年，中国氢能 100 人论坛、《氢能观察》计划于 2025 年 12 月召开“2025（第三届）氢能嘉年华暨中国氢能 100 人论坛年会”总结 2025年氢能行业成绩、挑战。展望将到来的 2026 年氢能行业的政策走向、市场机遇、近期挑战及战略重点，通过全方位、深层次的交流，合力解决技术难点、行业痛点。

氢能嘉年华

1、主办承办单位

主办单位：世纪新能源网、HEC100  

承办单位：氢能观察

2、时间规模

时间：2025年12月23日

规模：220人

3、参会联系

刘老师：13756043953

满老师：18043147317

第三届 2025氢能嘉年华议程

AM  氢能年度总结与突破

7:30-8:50  会议签到&资料领取

8:50-12:00  

(一）年度总结和展望：面对氢能的必选项，未来如何规模化、低成本地实现氢经济

1. 2025 年中国氢能汽车市场总结及 2026 年展望

2. 2025 年中国碱性电解槽市场总结和 2026 年展望

3. 2025 年中国绿色甲醇市场总结和 2026 年展望

4. “十五五”中国氢能产业政策展望

5. 2025 年绿氢制备及规模化应用的现状与展望

6. 2025 氢能无人机市场总结和 2026 年展望

7. 2025 氢能两轮车市场总结和 2026 年展望

8. 2025 氢能资本市场总结和 2026 年展望

PM  氢能产业技术、项目和解决方案

13:30-17:00

（二）电解槽及相关技术：在快速演进的市场中，电解槽制造商面临扩大产能与降低成本的双重挑战

1. 碱性电解槽隔膜的材料选择与性能优化

2. 碱性电解槽制氢电极最新技术进展探究

3. 双极板材料选择与性能优化，性能提升的关键密码

4. 高性能电极结构设计与制备技术

5. 电解槽密封材料与耐久性提升技术

6. 单堆兆瓦级时代的挑战

7. 不同温度环境下的 AEM 电解性能优化

8. 大规模绿氢项目碱性电解槽技术难点探讨

9. 适应风光波动电源的 10%-150%动态响应技术

10. SOEC 电解槽的未来发展趋势与产业化路径

（三）氢能无人机、两轮车等应用技术：基础设施和商业模式的创新，是破解储运与成本的关键难题

1. 氢能无人机关键技术研究进展

2. 氢能无人机场景应用探索与规模化发展

3. 液氢飞机轻量化技术趋势

4. 氢燃料电池无人机的商业化经验分享

5. 大重载氢电无人机商业应用探索

6. 氢能两轮车“小场景大价值”的“试验场”

7. 氢两轮车解决“最后一公里”出行问题

8. 氢燃料电池用碳材料的产业化进展

9. 基于实际场景的氢安全试验评价技术研究与实践

（四）氢电协同：氨、醇贸易与海运脱碳探讨将揭示氢衍生物的市场前景

1. 绿氢经济性拐点：碱性技术度电成本（LCOH）的临界条件测算

2. 以电氢协同助力构建新型电力系统的探索与思考

3. 氢能平价之路：产业趋势、技术实现路径与投资机会

4. 氢测生态：技术 - 场景 - 标准的检测协同网络

5. 绿氢制备降本 - PEM 电解技术突破与应用

6. 我国运氢特种设备标准与认证的发展现状

7. 掺氢天然气输送与利用关键技术及工程应用

8. 氢气储运的安全风险及应对措施

9. 欧洲中东绿氢市场及标